Controlador lógico programable
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Los controladores lógicos programables o PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en automatización industrial.
Su historia se remonta a finales de la década de 1960, cuando la industria buscó en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente para reemplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de los sistemas de lógica combinacional.
Hoy en día, los PLC's no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, tales como controladores PID (Proporcional Integral y Derivativo).
Su estructura básica son dos o más planos de puertas lógicas, normalmente AND y OR, que el programador debe conectar de forma adecuada para que hagan la función lógica requerida. Suelen programarse en ABEL o VHDL. Para aplicaciones de mayor capacidad son sustituidos por FPGAs.
Los PLC's actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control distribuido.
Entradas y Salidas
Las entradas y salidas son los elementos del PLC que lo vinculan al campo. En el caso de las entradas, adaptan las señales de sensores para que la CPU las reconozca. En el caso de las salidas, activan un circuito de conexión (transistor, triac o relé) ante una orden de la CPU.
La clasificación de las entradas y salidas son las siguientes:
Discretas: También llamadas digitales, lógicas, binarias u on/off, pueden tomar solo dos estados. La denominación digital es más común que la de discreta, aún cuando es incorrecta, ya que todas las funciones de un PLC, incluidas las E/S son digitales.
Analógicas: Pueden tomar una cantidad de valores intermedios dentro de un cierto límite, dependiendo de su resolución. Por ejemplo 0 a 10 Vcc, 4 a 20 mAcc, etc.
Especiales: Son variantes de las analógicas, como las entradas de pulsos de alta velocidad, termocuplas, RTDs, etc.
Inteligentes: Son módulos con procesador propio y un alto grado de flexibilidad para su programación. Durante su operación intercambian datos con la CPU.
Entradas discretas
Los fabricantes ofrecen una gran cantidad de alternativas para estos módulos. Así es que se puede optar por módulos con distinta cantidad de entradas y para distintas tensiones; las más comunes son: 24 Vcc, 24 Vca, TTL (5 Vcc), 110 Vca, 220 Vca, etc.
La estructura típica de una entrada discreta puede separarse en varios bloques por donde pasará la señal, hasta convertirse en un 0 ó un 1 para la CPU .
Estos bloques son:
Rectificador: En el caso de una entrada de corriente alterna, convierte la señal en continua. En el caso de una señal de corriente continua, limita o impide daños por inversión de polaridad.
Acondicionador de señal: Elimina ruidos eléctricos, detecta los niveles de señal para los que conmuta el estado lógico (umbral en on/off) y lleva la tensión al nivel manejado por la CPU.
Indicador de estado: En general se dispone de un indicador luminoso por canal, que está encendido mientras exista tensión en la entrada, y apaga do en caso contrario. Un indicador adicional señala el correcto funcionamiento de la tarjeta permaneciendo encendido si tanto la tarjeta como su comunicación con la CPU no presentan fallas.
Aislación: Las entradas de la mayor parte de los PLCs son optoaisladas para que, en caso de sobretensiones externas el daño causado no afecte más que ese punto, sin perjudicar el resto de la tarjeta ni propagarse al resto del PLC.
Circuito lógico de entrada: Es el encargado de informar a la CPU el estado de la entrada cuando ésta la interrogue.
El paso de la señal por todos estos bloques insume un tiempo que se conoce como tiempo de respuesta de la entrada. Este tiempo (y el del barrido, que se verá más adelante) debe tenerse en cuenta en el diseño del sistema. Un aspecto a analizar es el mínimo tiempo de permanencia o ausencia de una señal requerido para que el PLC la interprete como un 0 ó un 1. Si una variable de proceso pasa al estado lógico 1, y retorna al estado 0 en un tiempo inferior al tiempo de respuesta de la entrada, es posible que el PLC no llegue a leerla. Por ejemplo, si una tarjeta tuviera un tiempo de respuesta de 10 mseg, no será capaz de identificar con certeza una señal que presentó un pulso de menos de 10 mseg. Para aquellos casos en que se produzca esta situación, se requieren tarjetas con capacidad de retención, en las que el estado lógico es sostenido por un período mayor que la duración del pulso de señal.
Como referencia, podemos indicar que el tiempo de respuesta en la lectura de un contacto que se abre puede no ser el mismo que el tiempo de respuesta en la lectura de un contacto que se cierra. En general, el tiempo de respuesta de una tarjeta de entradas discretas no es superior a los 20 mseg, pudiendo ser de unos pocos milisegundos.
Salidas discretas
La estructura típica de una salida discreta es la siguiente :
Circuito lógico de salida: Es el receptor de la información enviada por la CPU.
Aislación: Cumple una función análoga a la de la aislación de una tarjeta de entradas discretas.
Indicador de estado: Generalmente se utiliza un indicador de estado por canal, que se enciende cuando la salida está cerrada, y se apaga cuando está abierta. Un indicador adicional señala el correcto funcionamiento de la tarjeta, permaneciendo encendido si tanto la tarjeta como su comunicación con la CPU no presentan fallas.
Circuito de conexión: Es el elemento de salida a campo, que maneja la carga conectada por el usuario. Como veremos luego, se dispone de tres opciones de circuito de conexión: transistor, triac y relé.
Protección: Puede consistir en un fusible en serie con los contactos de salida, una protección electrónica por sobrecarga, o circuitos RC (resistivos-capacitivos) para eliminar picos generados por la natu¬raleza de la carga, en caso deque ésta sea inductiva y la alimentación sea en corriente continua.
Las alternativas de selección para el circuito de conexión son tres:
Salidas por relé, Triac, Transistor
Las salidas de relé pueden utilizarse para cargas en corriente alterna o continua, las de transistor en corriente continua, y las de triac solo para corriente alterna. En todos los casos debe verificarse si la potencia a manejar es compatible con el circuito de conexión seleccionado.
Entradas Analógica
El PLC fue originalmente diseñado para el control de estados lógicos (si-no), y es un equipo de tecnología digital. Por lo tanto la única manera que tiene de trabajar con valores analógicos es que éstos se representen internamente por medio de números en formato binario. La principal tarea de una tarjeta de entrada analógica es precisamente la de convertir un valor analógico en un número en formato binario, por medio de un conversor A/D.
Generalmente, el conversor A/D se especifica indicando su resolución en bits, expresando así el menor cambio de tensión que tiene capacidad de distinguir. La exactitud de la tarjeta debe ser especificada por separado, normalmente como porcentaje del alcance. La exactitud de una tarjeta es peor que la resolución del conversor A/D utilizado, debido a los demás componentes que la integran, y a inexactitudes del propio conversor. Por ejemplo, una tarjeta puede utilizar un conversor A/D de 16 bits, pero ser exacto tan sólo hasta los 12 bits.
El componente más caro de una entrada analógica es el conversor A/D, y éste resulta más caro cuanto mayor resolución tiene. Por ello, los PLCs más pequeños utilizan conversores de 8 bits (más económicos), mientras los medianos y más grandes utilizan conversores de 10 hasta 16 bits.
Una forma de disminuir costos consiste en utilizar un solo conversor A/D que convierte todas las señales de entrada del módulo, una por vez, y las almacena en una memoria temporaria (buffer) alojada en el mismo módulo, desde donde la CPU lee los valores. Para ello se requiere un circuito que seleccione un canal por vez, enviando su señal al conversor A/D. Este circuito se denomina multiplexor.
En resumen, en la estructura de una entrada analógica podemos distinguir las siguientes partes básicas:
Diagrama de bloques de una entrada
Protección: Impide daños al módulo y al resto del PLC por conexión con polaridad invertida o fuera del rango permitido.
Filtro analógico: Elimina posibles ruidos que ingresen por la instalación. Básicamente consiste en un filtro pasabajos, que permite que las señales de baja frecuencia lleguen al conversor A/D, evitando el paso de las señales de alta frecuencia. Este filtro es necesario, ya que ea caso contrario podrían aparecer señales de alta frecuencia enmascaradas como señales de baja frecuencia
Multiplexado: Esta etapa consiste en un selector que envía un canal de entrada por vez al conversor A/D.
Conversor A/D: Es el encargado de transformar la señal analógica ea un número binario interpretable por la CPU.
Aislación: En algunos equipos se dispone de optoaisladores luego del conversor A/D, para separar la CPU del campo.
Buffer: Memoria donde se almacenan los valores que provienen del conversor, mientras éste opera sobre los demás canales. Aquí es donde la CPU lee los valores numéricos convertidos.
Entradas y Salidas Especiales.
Dentro del sistema de E/S de un PLC se pueden instalar módulos dedicados a tareas especiales que no pueden ser resueltas eficientemente por la CPU.
Así es que podemos encontrar algunos módulos denominados especiales, como los siguientes:
Entradas de termocupla: Incluye un microprocesador para linealización de la señal de entrada, y una junta fría para compensación.
Entradas de RTD: Incluye un microprocesador para linealización de la entrada.
Entrada de pulsos de alta velocidad: El tiempo que le insume a la CPU resolver el programa del usuario hace que ésta no pueda leer pulsos de alta velocidad. Estos módulos poseen un procesador dedicado a esta función y pueden dar señales al campo y a la CPU al alcanzar valores prefijados. Las frecuen¬cias que pueden leer van hasta más de 100 kHz y sirven para conectar encoders, caudalímetros a turbina,etc. En muchos casos, la entrada puede discriminar el sentido de giro efectuar conteos ascendentes y descendentes. Generalmente, este módulo cuenta con algunas entradas de pulsos, entradas discretas para la habilitación y vuelta a cero del contador (reset), y salidas discretas comandadas por este módulo, accionadas cuando el total alcanza un valor prefijado
Módulos Inteligentes
Con el objeto de descargar a la CPU de tareas que le insumen un tiempo que no es aceptable, o para las que ésta no está preparada, se dispone de módulos inteligentes. Algunos de estos módulos cuentan con sus propias E/S, mientras que otros aprovechan la estructura de E/S que ofrece el PLC. Una característica de estos módulos es que su funcionamiento es independiente de la CPU, por lo que, en caso de falla de ésta, los módulos siguen operando.
Los módulos inteligentes poseen un procesador propio que funciona en forma asincrónica con el de la CPU. Ambos procesadores intercambian datos a través de la capacidad del módulo inteligente de leer y escribir ciertas posiciones de la memoria de la CPU principal. En algunos casos, la cantidad de datos que un módulo inteligente puede intercambiar con la CPU principal está limitada por el diseño del módulo.
Algunos de estos módulos inteligentes son:
Módulo BASIC: Programable en lenguaje BASIC, posee uno o varios ports de comunicación RS232 ó RS422. Se puede utilizar para resolver ecuaciones complejas, para estadística, para adquisición de datos, como ingreso de datos desde lectores de código de barras, para ingreso de datos manuales, para almacenamiento de recetas, impresión de reportes, etc. También se utilizan para la Implementaciòn de protocolos de comunicaciones que permiten la comunicación del PLC con otros equipos digitales. Esta aplicación es útil en aquellos casos en que el PLC no disponga en forma estándar del software de comunicaciones requerido, resultando una Implementaciòn razonable¬mente económica. En estos casos se programa el protocolo en este módulo utilizando el lenguaje BASIC. En general, el módulo no cuenta con canales de E/S propios, excepto los ports de comunicaciones. Por otra parte, en algunos casos incluye un modem o módem-fax para comunicarse con otros equipos digitales remotos.
Módulo PID: Este módulo resuelve uno o varios lazos PID en forma separada de la CPU principal. La configuración de los lazos se efectúa desde la CPU principal, o directamente a través de un port RS232 ó RS422 que el módulo posee. A este port se conecta una PC con el software adecuado, permitiendo la configuración con indepen¬dencia de la CPU principal. Este módulo descarga a la CPU principal del cálculo del algoritmo PID, que insume un tiempo importante, haciendo más lento el tiempo de barrido de la CPU. Adicionalmente, la distribución de varios lazos PID en varios módulos disminuye la posibilidad de falla de varios lazos. Algunos módulos cuentan con canales de E/S analógicos y discretos propios, haciéndolo totalmente independiente del resto del PLC. Otros módulos PID utilizan la estructura de E/S del PLC.
Módulo ASCII: Almacena mensajes que pueden emitirse a través de sus ports de comunicaciones por orden del programa de la CPU principal. Ante determinados eventos como alarmas o simplemente a requerimiento del usuario, el programa de la CPU principal le ordena a este módulo emitir uno de los mensajes prealmacenados en su memoria. Estos mensajes pueden contener texto fijo, datos variables tomados de la memoria de la CPU, hora y fecha, etc., y pueden emitirse en displays alfanuméricos, impresoras, terminales, etc.
Módulo de posicionamiento: Es una combinación de un módulo contador de alta velocidad con salida para motores. Se utilizan para resolver lazos de posicionamiento en aplicaciones de control numérico o robótica.
Módulo Computador Integrado: Son verdaderas computadoras, con teclado, pan¬talla, impresoras, conexión en red y almacenamiento masivo (ya sea en los clásicos discos rígidos, o en discos RAM que emulan un disco rígido utilizando memoria RAM).
Campos de aplicación
El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales.
Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc. , por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc.
Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se producen necesidades tales como:
Espacio reducido
Procesos de producción periódicamente cambiantes
Procesos secuenciales
Maquinaria de procesos variables
Instalaciones de procesos complejos y amplios
Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso
Ejemplos de aplicaciones generales:
Maniobra de máquinas
Maquinaria industrial de plástico
Máquinas transfer
Maquinaria de embalajes
Maniobra de instalaciones:
Instalación de aire acondicionado, calefacción...
Instalaciones de seguridad
Señalización y control:
Chequeo de programas
Señalización del estado de procesos
Ventajas e inconvenientes
No todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones me obligan e referirme a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio.
Ventajas
Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que:
No es necesario dibujar el esquema de contactos
No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general la capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande.
La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el presupuesto correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega.
Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos.
Mínimo espacio de ocupación.
Menor coste de mano de obra de la instalación.
Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías.
Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.
Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo cableado.
Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.
Inconvenientes
Como inconvenientes podríamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido, pero hoy en día ese inconveniente esta solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho adiestramiento.
El coste inicial también puede ser un inconveniente.
Funciones básicas de un PLC
Detección:
Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación.
Mando:
Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores.
Dialogo hombre maquina:
Mantener un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso.
Programación:
Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El dialogo de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata controlando la maquina.
conceptos
Constantes ( K, H)
Pueden utilizarse tanto constantes decimales (K) como constantes hexadecimales (H) y tienen múltiples aplicaciones: delimitación de rangos para las entradas salidas analógicas. constantes de tiempo para los relojes, cantidad de eventos que se deben contar en el caso de los contadores, etc.
Relojes (T)
Los relojes disponibles pueden clasificarse en tres grupos- temporizadores de 1ms, 10 ms Y 100 ms. Para utilizarlos se fija una condición de entrada cuando ésta se cumple se activa la bobina del reloj. Una vez transcurrida la constante de tiempo el contacto de trabajo del reloj está en condiciones de funcionamiento.
La introducción de la constante de tiempo se puede efectuar en forma de valor decimal o indirectamente a través del valor contenido en un registro de datos.
Los diferentes tipos de relojes son los siguientes:
a) Relojes no remanentes (TO a T245)
Existen relojes no remanentes de 100 [ms] (TO a T199) y de 10 [ms] (T200 a T245). Los relojes no remanentes operan de la siguiente manera: al conectarse la condición de entrada, el reloj cuenta en impulsos de 100 [ms] ó 10 [ms] según corresponda, la bobina del reloj queda conectada una vez alcanzada la constante de tiempo. El reloj vuelve a la posición original cuando se desconecta la condición de entrada o cuando se produce un corte de tensión.
b) Relojes remanentes (T246 a T255)
Existen relojes remanentes de 1 [ms] (T246 a T249) y 100 [ms] (T250 a
T255).
Los relojes remanentes operan de la siguiente manera: al conectarse la condición de entrada. El reloj cuenta en impulsos de 100 [ms] ó 1 [ms], según corresponda, la bobina del reloj queda conectada una vez alcanzada la constante de tiempo, pero en este caso si se desconecta la condición de entrada o se produce un corte de tensión. el proceso sólo es interrumpido y se reanuda cuando se normaliza la situación. es decir, el reloj sigue contando a partir del punto donde quedó. Para que el reloj vuelva a la posición original es necesario recetearlo utilizando la instrucción RST
Contadores (C):
Los contadores pueden clasificarse en tres grupo: contadores de 16 bit. contadores de 32 bit y contadores de alta velocidad.
a) Contador de 16 bit (contador incremental)
Características:
C 0 a C 99 (100 designaciones)
C 1 00 a C 199 (1 00 Designaciones): protegidos por batería.
Campo de posicionado : 1 a 32767
Su operación es básicamente de la siguiente manera: Se fija una condición de entrada. cada vez que ésta se cumple el contador se incremento en una unidad. Además se debe fijar una valor de consigna o constante de trabajo para el contador. Una vez alcanzado el valor de consigna del contador se activa su contacto de trabajo. El valor de consigna se puede ingresar en forma directa como un valor decimal o también en forma indirecta a través del valor memorizado en un registro de datos.
Contador de 32 bit (contador Incremental y decremental)
Características
C 200 a C 219 (20 designaciones)
C 220 a C 234 (15 designaciones) protegidos por batería.
Campo de posicionado :-2.147.483.648 a 2.147.486.648
Opera en forma similar al contador de 16 bit con la diferencia que el conteo se realiza en forma incremental, decremental o una combinación alternada de ambas. además por ser de 32 bit permite un campo de posicionado mayor.
c) Contador de alta velocidad: C 235 a C 255 ( 21 designaciones)
Los contadores de velocidad son contadores de 32 bit. Operan de manera distinta a los vistos anteriormente va que existen entradas exclusivas para el recuento (XO a X5). por lo tanto, se permite un máximo de 6 contadores de alta velocidad por programa.
Además. es importante mencionar que las entradas de recuento no pueden programarse como condición de conexión para el contador.
.Marcadores (M)
Los marcadores se utilizan sólo para la ejecución interna del programa. es decir, no pueden activar directamente salidas exteriores pero sí pueden utilizarse para establecer condiciones o estados en el programa, sin necesidad de ocupar una de las salidas externas.
Los marcadores MO a M499 (500 designaciones) se desconectan al producirse un corte de la energía eléctrica, en cambio los marcadores ' M500 a M1023, llamados "marcadores Latch". están protegidos por batería y en caso de corte de la energía eléctrica se mantiene el estado en que estaban los marcadores.
Además de lo anterior existen marcadores especiales que se utilizan para
funciones específicas, que han sido predeterminadas, como por ejemplo:
a) M 8000: Al programar este marcador como condición para una salida dada. esta salida se ejecutará sólo cuando el PLC esté en modo RUN (o sea cuando el programa se esté ejecutando).
b) M 8002: Al programar este marcador como condición para una salida dada, para que esta salida se ejecute bastará con que se produzca el impulso de inicialización del programa.
Registros de datos (D)
Los registros de datos D presentan una memoria en la que se registran datos dentro del PLC. Los registros de datos constan de 16 bit. los cuales pueden ser escritos y leídos. También se puede trabajar con 32 bit usando para ello dos registros de datos.
Clasificación:
a) Registros de datos DO a D199 (200 designaciones): poseen las siguientes características-
- Los datos se mantienen en el registro de datos hasta que sean sobrescritos.
- Cuando se desconecta el control se ponen a cero todos los registros de datos.
- Si se utiliza el marcador especial M8033 los datos se conservan.
b) Registro de datos protegidos por batería D200 a D511 (312 designaciones): poseen las siguientes características:
- Los datos se mantienen en el registro de datos hasta que sean sobrescritos.
- Los datos no se pierden cuando se desconecta el control ya que éstos registros llevan batería de protección.
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Los controladores lógicos programables o PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en automatización industrial.
Su historia se remonta a finales de la década de 1960, cuando la industria buscó en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente para reemplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de los sistemas de lógica combinacional.
Hoy en día, los PLC's no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, tales como controladores PID (Proporcional Integral y Derivativo).
Su estructura básica son dos o más planos de puertas lógicas, normalmente AND y OR, que el programador debe conectar de forma adecuada para que hagan la función lógica requerida. Suelen programarse en ABEL o VHDL. Para aplicaciones de mayor capacidad son sustituidos por FPGAs.
Los PLC's actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control distribuido.
Entradas y Salidas
Las entradas y salidas son los elementos del PLC que lo vinculan al campo. En el caso de las entradas, adaptan las señales de sensores para que la CPU las reconozca. En el caso de las salidas, activan un circuito de conexión (transistor, triac o relé) ante una orden de la CPU.
La clasificación de las entradas y salidas son las siguientes:
Discretas: También llamadas digitales, lógicas, binarias u on/off, pueden tomar solo dos estados. La denominación digital es más común que la de discreta, aún cuando es incorrecta, ya que todas las funciones de un PLC, incluidas las E/S son digitales.
Analógicas: Pueden tomar una cantidad de valores intermedios dentro de un cierto límite, dependiendo de su resolución. Por ejemplo 0 a 10 Vcc, 4 a 20 mAcc, etc.
Especiales: Son variantes de las analógicas, como las entradas de pulsos de alta velocidad, termocuplas, RTDs, etc.
Inteligentes: Son módulos con procesador propio y un alto grado de flexibilidad para su programación. Durante su operación intercambian datos con la CPU.
Entradas discretas
Los fabricantes ofrecen una gran cantidad de alternativas para estos módulos. Así es que se puede optar por módulos con distinta cantidad de entradas y para distintas tensiones; las más comunes son: 24 Vcc, 24 Vca, TTL (5 Vcc), 110 Vca, 220 Vca, etc.
La estructura típica de una entrada discreta puede separarse en varios bloques por donde pasará la señal, hasta convertirse en un 0 ó un 1 para la CPU .
Estos bloques son:
Rectificador: En el caso de una entrada de corriente alterna, convierte la señal en continua. En el caso de una señal de corriente continua, limita o impide daños por inversión de polaridad.
Acondicionador de señal: Elimina ruidos eléctricos, detecta los niveles de señal para los que conmuta el estado lógico (umbral en on/off) y lleva la tensión al nivel manejado por la CPU.
Indicador de estado: En general se dispone de un indicador luminoso por canal, que está encendido mientras exista tensión en la entrada, y apaga do en caso contrario. Un indicador adicional señala el correcto funcionamiento de la tarjeta permaneciendo encendido si tanto la tarjeta como su comunicación con la CPU no presentan fallas.
Aislación: Las entradas de la mayor parte de los PLCs son optoaisladas para que, en caso de sobretensiones externas el daño causado no afecte más que ese punto, sin perjudicar el resto de la tarjeta ni propagarse al resto del PLC.
Circuito lógico de entrada: Es el encargado de informar a la CPU el estado de la entrada cuando ésta la interrogue.
El paso de la señal por todos estos bloques insume un tiempo que se conoce como tiempo de respuesta de la entrada. Este tiempo (y el del barrido, que se verá más adelante) debe tenerse en cuenta en el diseño del sistema. Un aspecto a analizar es el mínimo tiempo de permanencia o ausencia de una señal requerido para que el PLC la interprete como un 0 ó un 1. Si una variable de proceso pasa al estado lógico 1, y retorna al estado 0 en un tiempo inferior al tiempo de respuesta de la entrada, es posible que el PLC no llegue a leerla. Por ejemplo, si una tarjeta tuviera un tiempo de respuesta de 10 mseg, no será capaz de identificar con certeza una señal que presentó un pulso de menos de 10 mseg. Para aquellos casos en que se produzca esta situación, se requieren tarjetas con capacidad de retención, en las que el estado lógico es sostenido por un período mayor que la duración del pulso de señal.
Como referencia, podemos indicar que el tiempo de respuesta en la lectura de un contacto que se abre puede no ser el mismo que el tiempo de respuesta en la lectura de un contacto que se cierra. En general, el tiempo de respuesta de una tarjeta de entradas discretas no es superior a los 20 mseg, pudiendo ser de unos pocos milisegundos.
Salidas discretas
La estructura típica de una salida discreta es la siguiente :
Circuito lógico de salida: Es el receptor de la información enviada por la CPU.
Aislación: Cumple una función análoga a la de la aislación de una tarjeta de entradas discretas.
Indicador de estado: Generalmente se utiliza un indicador de estado por canal, que se enciende cuando la salida está cerrada, y se apaga cuando está abierta. Un indicador adicional señala el correcto funcionamiento de la tarjeta, permaneciendo encendido si tanto la tarjeta como su comunicación con la CPU no presentan fallas.
Circuito de conexión: Es el elemento de salida a campo, que maneja la carga conectada por el usuario. Como veremos luego, se dispone de tres opciones de circuito de conexión: transistor, triac y relé.
Protección: Puede consistir en un fusible en serie con los contactos de salida, una protección electrónica por sobrecarga, o circuitos RC (resistivos-capacitivos) para eliminar picos generados por la natu¬raleza de la carga, en caso deque ésta sea inductiva y la alimentación sea en corriente continua.
Las alternativas de selección para el circuito de conexión son tres:
Salidas por relé, Triac, Transistor
Las salidas de relé pueden utilizarse para cargas en corriente alterna o continua, las de transistor en corriente continua, y las de triac solo para corriente alterna. En todos los casos debe verificarse si la potencia a manejar es compatible con el circuito de conexión seleccionado.
Entradas Analógica
El PLC fue originalmente diseñado para el control de estados lógicos (si-no), y es un equipo de tecnología digital. Por lo tanto la única manera que tiene de trabajar con valores analógicos es que éstos se representen internamente por medio de números en formato binario. La principal tarea de una tarjeta de entrada analógica es precisamente la de convertir un valor analógico en un número en formato binario, por medio de un conversor A/D.
Generalmente, el conversor A/D se especifica indicando su resolución en bits, expresando así el menor cambio de tensión que tiene capacidad de distinguir. La exactitud de la tarjeta debe ser especificada por separado, normalmente como porcentaje del alcance. La exactitud de una tarjeta es peor que la resolución del conversor A/D utilizado, debido a los demás componentes que la integran, y a inexactitudes del propio conversor. Por ejemplo, una tarjeta puede utilizar un conversor A/D de 16 bits, pero ser exacto tan sólo hasta los 12 bits.
El componente más caro de una entrada analógica es el conversor A/D, y éste resulta más caro cuanto mayor resolución tiene. Por ello, los PLCs más pequeños utilizan conversores de 8 bits (más económicos), mientras los medianos y más grandes utilizan conversores de 10 hasta 16 bits.
Una forma de disminuir costos consiste en utilizar un solo conversor A/D que convierte todas las señales de entrada del módulo, una por vez, y las almacena en una memoria temporaria (buffer) alojada en el mismo módulo, desde donde la CPU lee los valores. Para ello se requiere un circuito que seleccione un canal por vez, enviando su señal al conversor A/D. Este circuito se denomina multiplexor.
En resumen, en la estructura de una entrada analógica podemos distinguir las siguientes partes básicas:
Diagrama de bloques de una entrada
Protección: Impide daños al módulo y al resto del PLC por conexión con polaridad invertida o fuera del rango permitido.
Filtro analógico: Elimina posibles ruidos que ingresen por la instalación. Básicamente consiste en un filtro pasabajos, que permite que las señales de baja frecuencia lleguen al conversor A/D, evitando el paso de las señales de alta frecuencia. Este filtro es necesario, ya que ea caso contrario podrían aparecer señales de alta frecuencia enmascaradas como señales de baja frecuencia
Multiplexado: Esta etapa consiste en un selector que envía un canal de entrada por vez al conversor A/D.
Conversor A/D: Es el encargado de transformar la señal analógica ea un número binario interpretable por la CPU.
Aislación: En algunos equipos se dispone de optoaisladores luego del conversor A/D, para separar la CPU del campo.
Buffer: Memoria donde se almacenan los valores que provienen del conversor, mientras éste opera sobre los demás canales. Aquí es donde la CPU lee los valores numéricos convertidos.
Entradas y Salidas Especiales.
Dentro del sistema de E/S de un PLC se pueden instalar módulos dedicados a tareas especiales que no pueden ser resueltas eficientemente por la CPU.
Así es que podemos encontrar algunos módulos denominados especiales, como los siguientes:
Entradas de termocupla: Incluye un microprocesador para linealización de la señal de entrada, y una junta fría para compensación.
Entradas de RTD: Incluye un microprocesador para linealización de la entrada.
Entrada de pulsos de alta velocidad: El tiempo que le insume a la CPU resolver el programa del usuario hace que ésta no pueda leer pulsos de alta velocidad. Estos módulos poseen un procesador dedicado a esta función y pueden dar señales al campo y a la CPU al alcanzar valores prefijados. Las frecuen¬cias que pueden leer van hasta más de 100 kHz y sirven para conectar encoders, caudalímetros a turbina,etc. En muchos casos, la entrada puede discriminar el sentido de giro efectuar conteos ascendentes y descendentes. Generalmente, este módulo cuenta con algunas entradas de pulsos, entradas discretas para la habilitación y vuelta a cero del contador (reset), y salidas discretas comandadas por este módulo, accionadas cuando el total alcanza un valor prefijado
Módulos Inteligentes
Con el objeto de descargar a la CPU de tareas que le insumen un tiempo que no es aceptable, o para las que ésta no está preparada, se dispone de módulos inteligentes. Algunos de estos módulos cuentan con sus propias E/S, mientras que otros aprovechan la estructura de E/S que ofrece el PLC. Una característica de estos módulos es que su funcionamiento es independiente de la CPU, por lo que, en caso de falla de ésta, los módulos siguen operando.
Los módulos inteligentes poseen un procesador propio que funciona en forma asincrónica con el de la CPU. Ambos procesadores intercambian datos a través de la capacidad del módulo inteligente de leer y escribir ciertas posiciones de la memoria de la CPU principal. En algunos casos, la cantidad de datos que un módulo inteligente puede intercambiar con la CPU principal está limitada por el diseño del módulo.
Algunos de estos módulos inteligentes son:
Módulo BASIC: Programable en lenguaje BASIC, posee uno o varios ports de comunicación RS232 ó RS422. Se puede utilizar para resolver ecuaciones complejas, para estadística, para adquisición de datos, como ingreso de datos desde lectores de código de barras, para ingreso de datos manuales, para almacenamiento de recetas, impresión de reportes, etc. También se utilizan para la Implementaciòn de protocolos de comunicaciones que permiten la comunicación del PLC con otros equipos digitales. Esta aplicación es útil en aquellos casos en que el PLC no disponga en forma estándar del software de comunicaciones requerido, resultando una Implementaciòn razonable¬mente económica. En estos casos se programa el protocolo en este módulo utilizando el lenguaje BASIC. En general, el módulo no cuenta con canales de E/S propios, excepto los ports de comunicaciones. Por otra parte, en algunos casos incluye un modem o módem-fax para comunicarse con otros equipos digitales remotos.
Módulo PID: Este módulo resuelve uno o varios lazos PID en forma separada de la CPU principal. La configuración de los lazos se efectúa desde la CPU principal, o directamente a través de un port RS232 ó RS422 que el módulo posee. A este port se conecta una PC con el software adecuado, permitiendo la configuración con indepen¬dencia de la CPU principal. Este módulo descarga a la CPU principal del cálculo del algoritmo PID, que insume un tiempo importante, haciendo más lento el tiempo de barrido de la CPU. Adicionalmente, la distribución de varios lazos PID en varios módulos disminuye la posibilidad de falla de varios lazos. Algunos módulos cuentan con canales de E/S analógicos y discretos propios, haciéndolo totalmente independiente del resto del PLC. Otros módulos PID utilizan la estructura de E/S del PLC.
Módulo ASCII: Almacena mensajes que pueden emitirse a través de sus ports de comunicaciones por orden del programa de la CPU principal. Ante determinados eventos como alarmas o simplemente a requerimiento del usuario, el programa de la CPU principal le ordena a este módulo emitir uno de los mensajes prealmacenados en su memoria. Estos mensajes pueden contener texto fijo, datos variables tomados de la memoria de la CPU, hora y fecha, etc., y pueden emitirse en displays alfanuméricos, impresoras, terminales, etc.
Módulo de posicionamiento: Es una combinación de un módulo contador de alta velocidad con salida para motores. Se utilizan para resolver lazos de posicionamiento en aplicaciones de control numérico o robótica.
Módulo Computador Integrado: Son verdaderas computadoras, con teclado, pan¬talla, impresoras, conexión en red y almacenamiento masivo (ya sea en los clásicos discos rígidos, o en discos RAM que emulan un disco rígido utilizando memoria RAM).
Campos de aplicación
El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales.
Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc. , por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc.
Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se producen necesidades tales como:
Espacio reducido
Procesos de producción periódicamente cambiantes
Procesos secuenciales
Maquinaria de procesos variables
Instalaciones de procesos complejos y amplios
Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso
Ejemplos de aplicaciones generales:
Maniobra de máquinas
Maquinaria industrial de plástico
Máquinas transfer
Maquinaria de embalajes
Maniobra de instalaciones:
Instalación de aire acondicionado, calefacción...
Instalaciones de seguridad
Señalización y control:
Chequeo de programas
Señalización del estado de procesos
Ventajas e inconvenientes
No todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones me obligan e referirme a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio.
Ventajas
Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que:
No es necesario dibujar el esquema de contactos
No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general la capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande.
La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el presupuesto correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega.
Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos.
Mínimo espacio de ocupación.
Menor coste de mano de obra de la instalación.
Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías.
Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.
Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo cableado.
Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.
Inconvenientes
Como inconvenientes podríamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido, pero hoy en día ese inconveniente esta solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho adiestramiento.
El coste inicial también puede ser un inconveniente.
Funciones básicas de un PLC
Detección:
Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación.
Mando:
Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores.
Dialogo hombre maquina:
Mantener un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso.
Programación:
Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El dialogo de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata controlando la maquina.
conceptos
Constantes ( K, H)
Pueden utilizarse tanto constantes decimales (K) como constantes hexadecimales (H) y tienen múltiples aplicaciones: delimitación de rangos para las entradas salidas analógicas. constantes de tiempo para los relojes, cantidad de eventos que se deben contar en el caso de los contadores, etc.
Relojes (T)
Los relojes disponibles pueden clasificarse en tres grupos- temporizadores de 1ms, 10 ms Y 100 ms. Para utilizarlos se fija una condición de entrada cuando ésta se cumple se activa la bobina del reloj. Una vez transcurrida la constante de tiempo el contacto de trabajo del reloj está en condiciones de funcionamiento.
La introducción de la constante de tiempo se puede efectuar en forma de valor decimal o indirectamente a través del valor contenido en un registro de datos.
Los diferentes tipos de relojes son los siguientes:
a) Relojes no remanentes (TO a T245)
Existen relojes no remanentes de 100 [ms] (TO a T199) y de 10 [ms] (T200 a T245). Los relojes no remanentes operan de la siguiente manera: al conectarse la condición de entrada, el reloj cuenta en impulsos de 100 [ms] ó 10 [ms] según corresponda, la bobina del reloj queda conectada una vez alcanzada la constante de tiempo. El reloj vuelve a la posición original cuando se desconecta la condición de entrada o cuando se produce un corte de tensión.
b) Relojes remanentes (T246 a T255)
Existen relojes remanentes de 1 [ms] (T246 a T249) y 100 [ms] (T250 a
T255).
Los relojes remanentes operan de la siguiente manera: al conectarse la condición de entrada. El reloj cuenta en impulsos de 100 [ms] ó 1 [ms], según corresponda, la bobina del reloj queda conectada una vez alcanzada la constante de tiempo, pero en este caso si se desconecta la condición de entrada o se produce un corte de tensión. el proceso sólo es interrumpido y se reanuda cuando se normaliza la situación. es decir, el reloj sigue contando a partir del punto donde quedó. Para que el reloj vuelva a la posición original es necesario recetearlo utilizando la instrucción RST
Contadores (C):
Los contadores pueden clasificarse en tres grupo: contadores de 16 bit. contadores de 32 bit y contadores de alta velocidad.
a) Contador de 16 bit (contador incremental)
Características:
C 0 a C 99 (100 designaciones)
C 1 00 a C 199 (1 00 Designaciones): protegidos por batería.
Campo de posicionado : 1 a 32767
Su operación es básicamente de la siguiente manera: Se fija una condición de entrada. cada vez que ésta se cumple el contador se incremento en una unidad. Además se debe fijar una valor de consigna o constante de trabajo para el contador. Una vez alcanzado el valor de consigna del contador se activa su contacto de trabajo. El valor de consigna se puede ingresar en forma directa como un valor decimal o también en forma indirecta a través del valor memorizado en un registro de datos.
Contador de 32 bit (contador Incremental y decremental)
Características
C 200 a C 219 (20 designaciones)
C 220 a C 234 (15 designaciones) protegidos por batería.
Campo de posicionado :-2.147.483.648 a 2.147.486.648
Opera en forma similar al contador de 16 bit con la diferencia que el conteo se realiza en forma incremental, decremental o una combinación alternada de ambas. además por ser de 32 bit permite un campo de posicionado mayor.
c) Contador de alta velocidad: C 235 a C 255 ( 21 designaciones)
Los contadores de velocidad son contadores de 32 bit. Operan de manera distinta a los vistos anteriormente va que existen entradas exclusivas para el recuento (XO a X5). por lo tanto, se permite un máximo de 6 contadores de alta velocidad por programa.
Además. es importante mencionar que las entradas de recuento no pueden programarse como condición de conexión para el contador.
.Marcadores (M)
Los marcadores se utilizan sólo para la ejecución interna del programa. es decir, no pueden activar directamente salidas exteriores pero sí pueden utilizarse para establecer condiciones o estados en el programa, sin necesidad de ocupar una de las salidas externas.
Los marcadores MO a M499 (500 designaciones) se desconectan al producirse un corte de la energía eléctrica, en cambio los marcadores ' M500 a M1023, llamados "marcadores Latch". están protegidos por batería y en caso de corte de la energía eléctrica se mantiene el estado en que estaban los marcadores.
Además de lo anterior existen marcadores especiales que se utilizan para
funciones específicas, que han sido predeterminadas, como por ejemplo:
a) M 8000: Al programar este marcador como condición para una salida dada. esta salida se ejecutará sólo cuando el PLC esté en modo RUN (o sea cuando el programa se esté ejecutando).
b) M 8002: Al programar este marcador como condición para una salida dada, para que esta salida se ejecute bastará con que se produzca el impulso de inicialización del programa.
Registros de datos (D)
Los registros de datos D presentan una memoria en la que se registran datos dentro del PLC. Los registros de datos constan de 16 bit. los cuales pueden ser escritos y leídos. También se puede trabajar con 32 bit usando para ello dos registros de datos.
Clasificación:
a) Registros de datos DO a D199 (200 designaciones): poseen las siguientes características-
- Los datos se mantienen en el registro de datos hasta que sean sobrescritos.
- Cuando se desconecta el control se ponen a cero todos los registros de datos.
- Si se utiliza el marcador especial M8033 los datos se conservan.
b) Registro de datos protegidos por batería D200 a D511 (312 designaciones): poseen las siguientes características:
- Los datos se mantienen en el registro de datos hasta que sean sobrescritos.
- Los datos no se pierden cuando se desconecta el control ya que éstos registros llevan batería de protección.